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研究草地火災生成原因及火管理系統的應用
摘要:火是管理生態系統的重要自然工具。草地火包括自然火和人為火,長期在自然界生態系統中起著作用。草地火管理可用計算機模型予測自然火燒或計劃火燒等火行為,來取得可予測的資源管理目標,開展研究和監測保證。
關鍵詞:計劃火燒 火狀況 草地火管理
1 前言
火是環境的自然組分,也是管理生態系統的重要自然工具。我國草地火生態研究,據文獻考證在《管子》、《農政全書》和《齊民要術》等古籍中,早已有野火法令和火應用等記載。近代草地火生態學研究始于20世紀50年代末期,1991年我國周道瑋博士有關火成因子和火頻次、火積累量法的理論,出版專著論述,為我國近代草地火生態學研究開拓了新的領域,引起了草地界和生態學者的重視。
2 草地火災的生成原因
草地火是燃燒產生的一種現象,亦是自然生態系統的一部分,從生態意義上的火燒稱為野火(Wild fire)。草地火災包括草原、山地林區和一切植被的火災,主要由于雷擊、閃電、滾石磨擦和長期氣候干旱等原因而發生的自然火源,而人為因素也是我國發生草地火災(包括山地火災)的主要因素。所以草地火是物理環境的一個重要組成部分,經過長期自然選擇的可燃物結構和化學特性對火類型生態系統中植物火適應性所產生的影響。亦在自然生態系統的進化中長期地起著重要的作用。
火狀況由火強度(fire intensity)、火燒季節——時間(Season-time of occurrence)、火頻次(fire frequency)、面積(size)和格局(Partten)等因素組成。周道瑋博士有關火成因子和火頻次、火積累量法的理論,即說明在不同火狀況和不同生態系統相互關系的重要性。火強度是單位面積、單位時間內火燒所釋放的能量,可用來判斷對草地(山地)植被所產生的潛在攏動能力。火強度可用下列公式計算:
火強度(I)=H X W X R
H代表可燃物的能量值或熱值;
W代表單位面積所消耗的可燃物量或能量值;
R代表擴展速度
火強度對草地地上部分影響極大,而對地下部分影響不大。火燒季節——時間和火頻次對草地影響很大。對火燃燒性一般用S/V比值(即可燃物表面積與體積之比)來作為重要參數。S/V比值增加則燃燒速度越快,呈線性增加,但對計劃火燒點燃時間的變化卻相反。草地主要禾草具有較高的可燃性,葉片S/V比值在44·6~363·2cm2/cm3、莖稈S/V比值在189·1~380·5cm2/cm3之間,從點燃至自然所需時間與S/V比值的對數呈反比,而與禾草葉片的厚度成正比。
3 草地火災發生的因素
3·1 我國北方草地火災發生的因素
在我國北方(N36。~ 44。、E76。~104。)即新疆、青海、陜西、寧夏和內蒙古等省(自治區)行政管轄區內,草地面積遼闊,由于氣候干旱少雨、風大等不利因素,經常發生雷電和人為的火災事故。大面積天然草地自春季地溫回升后,地溫保持0℃以上即開始萌發返青。隨著氣溫逐漸升高,草地凈第一性產量亦隨著增加,至8月份達到了最高產量,也是植株營養成分最豐富的時期。待秋季來臨,隨著氣溫下降,至11月上旬植株開始枯黃,草地的地上部分便成為立枯凋落的可燃物。草地火俗稱“野火”,枯落物被火燒后,草地生態系統綜合指標也逐漸增加。火燒是一項干擾因素,可燃物的物理特性中,可燃物濕度是影響火行為的最主要因素。研究表明,草地可燃物化學組成為纖維素、半纖維素(兩者占50%~75%,熱值為15·1~18·5J/g)、木質素(占15%~35%,熱值為22·3~24·5J/g)和礦物質及萜、松香等提取物,其中無硅灰分和提取物是可燃物的兩項特性,如內蒙古東部羊草草地灰分為6·5%,提取物為0·21%;內蒙古錫盟針茅草地灰分為5·3%,提取物為0·17%;東北西部羊草草甸灰分為7·2%,提取物為0·22%。在呼倫貝爾盟大興安嶺林區松樹樹枝的萜、松香等提取物占0·5%~4·8%,熱值達32·5~34·6J/g。同時隨著可燃物降解和點燃等一系列反應,即成為火行為。火行為的主要決定因素包括風速、風向、風的穩定性、可燃物總量和可燃物濕度等。草地可燃物表面床的體積密度表示可燃物排列疏松情況,如內蒙古貝加爾針茅雜草群落草地為0·33~0·86kg/m2,東北羊草草地為0·54~1·03kg/m3,西北半荒漠草地為0·19~0·51kg/m2。草地火經燃燒5~10分鐘后,擴展速度能穩定,火強度達300~500kw/m時,則開始產生火星。可燃物量決定火強度,而可燃物產生量和積累速度決定火頻次。我國北方草地屬長冷型,最冷的12月、1月、2月平均氣溫在-1·3℃~-8·5℃之間,草地可燃物積累量較多,易發生草地火情。
3·2 我國南方山地植被(或草地)火災發生的因素
在我國西南地區(N23°~28°、E100°~110°)屬四川、貴州、云南和重慶等省(市)行政管轄區;由于氣候暖和,山地及邊坡草地的覆蓋林木和植被生長茂密,在秋冬季節干旱,常有人為的火災發生。研究表明,火產生的熱量即可燃物量的函數。可燃物的表面積與體積比(用S/V比值來表示),在山地植被禾草類的S/V比值為92·0~376·5,常綠灌木的S/V比值為68·5~124·6,喬木S/V比值為73·3~86·4;S/V比值增加即火蔓延速度越快,呈線性增加。
4 草地火的利弊
草地火燒產生大量光照、熱量和煙霧,直接影響草地地上和地下部位,如地上活體由于受熱刺激而致殺死;火燒后地表裸露,風蝕嚴重,據內蒙古興安盟和吉林省白城地區調查表明,由于火燒后地表缺少枯落物覆蓋,土壤容易跑墑(0~15cm土層失水6·5%~25·0%),并將地面肥土被刮走(6級風5h刮走表層土1·7~2·3cm)。同時地下表層土壤僅能吸收太陽短波照射,而對長波輻射則產生不利的影響。
“在自然界適應火的生態系統中,頻繁火燒能維持這些早期演替種”;這樣可以證實對火作為自然重要擾動概念及論證的正確性。許多草地、山地和針葉林均適合這種演替模式,所以利用火導致這種的循環模式,可以大面積改善草地和山地植被種群的生態變化及化學組成。但是對林木焚燒、野生動植物的繁衍和人類的生存均帶來巨大的損失。所以在火管理上應進行計劃用火燒管理系統的應用和研究。
但是火燒也有一定的好處,計劃火燒可以保護草地禾草休眠芽抽條再生,提高種子發芽率;火燒后草地返青早,內蒙古針茅雜草類草地可提前8~14d左右;內蒙古東部和東北西部的羊草草地可提前10~18d左右。對植物花和果實都有所增加,并提早成熟。由于火燒后可加速地表有機質的硝化作用,火燒后灰燼都能成為可利用的營養物質,特別是有效磷的增加,而導致草地產草量也隨之有所增加。火燒后禾草草質柔軟,適口性有所改善。1993年在火燒后羊草草地采樣分析,火燒后再生羊草粗蛋白質含量比未燒草地增加5·3%~10·2%,灰分提高4·5%~7·8%,葉量提高8·8%~9·8%。在內蒙古東部牧區,由于
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